Re: [問卦] 有沒有流體力學之父的八卦？

[jfsu (水精靈)]

※ 引述《wei0204 (喂~色情電話)》之銘言：
: 有被流體力學荼毒過的人
: 一定知道Prandtl
: 他主要的貢獻有
: 提出風洞試驗 還有邊界層理論
: 有沒有流體力學之父的八卦？
: 除此之外
: 今天也是他143歲的生日
: 對於主修流力的本魯來說
: 今天也是個特別的日子
: 因為本魯的生日剛好跟這位大師同一天XDDD


在徵求到原po同意後，我想，來聊聊他的學生馮‧卡門。


西奧多‧馮‧卡門（Theodore von Kárman , 1881.5.11 – 1963.5.6)，匈牙利
裔美籍航太學家，對流體力學、空氣動力學產生了巨大影響，開創了數學與基礎科學
在航空、太空等領域的應用。被認為是二十世紀最傑出的航空與航太工程學家。

1963年，美國白宮玫瑰園響起如雷貫耳的掌聲。甘迺迪總統正把美國第一枚國家
科學獎章掛在一位老人脖子上。在走下高高的臺階時，患有關節炎的老人更顯得
步履蹣跚、舉步維艱。一個不小心，老人不慎閃了一下，甘迺迪連忙上前攙扶。
老人抬起頭，臉帶笑意地看向甘迺迪。

老人：「別扶我，這只是地球突然傾斜一下，我並沒有跌倒。」

甘迺迪：「哦～這句話是愛因斯坦說的。」

老人：「咳咳～總統先生，我想說的是，『下坡行路不需扶持，唯有登高望遠
        才求一臂之力。』」

甘迺迪：「不愧是高手在民間，好詩好詩。」

兩個多月後，這位已經82歲的老人在進行溫泉水治療時，因心臟衰竭，溘然長逝，
結束了他充滿傳奇色彩的一生。


如果鄉民們對外國的姓氏有點研究的話，鐵血宰相俾斯麥(Otto Eduard Leopold von
Bismarck)、現代航太之父馮‧布朗(Wernher Magnus Maximilian Von Braun)裡頭
都有馮（von）這個字。先說明的是，這不是姓氏，而貴族姓氏的首碼標誌。

馮‧卡門於1881年5月11日出生於匈牙利布達佩斯，父親是大學教授。受到良好教育
的他，很早就顯露出數學天賦。

6歲時，一天，幾位客人拜訪父親。

其中一位客人問：「小西奧多你知道689 * 92 等於多少嗎？」

卡門很快地給出了正確答案，客人們感到非常驚訝，不停地誇讚他。

不過，父親的臉上甚為不安。當客人離開後，父親將他叫了過來。

「西奧多，以後不准你再做這種耍小聰明的數學遊戲，知道嗎？」

「為什麼？」

「因為36+45=79才是是唯一解。」

為了能讓卡門的發展是全面的，父親只好暫時抑制他在數學上的發展，不斷教導
他很多身為理工專家所沒有的人文知識，直到卡門上了中學，才允許他重拾數學。

17歲時，卡門進入了約瑟夫皇家工藝大學。有一次，卡門正對幾台引擎進行實驗。
他發現到，當轉速達到一定數值，閥門就會振動起來，發出很大噪音。

經過仔細分析後，他認為閥門的開關和引擎的運轉之間產生了共振。他很快地把
這現象化煉成一個數學問題，並推導出相應的數學公式與total solution，
成功地解決了振動的問題。

卡門將自己的成果寫成論文，教授不禁按了個讚，並將論文公開發表出來。

畢業之後，25歲的他前去德國哥廷根（Göttingen）大學求學，師承流體力學大師
普朗特（Ludwig Prandtl 1875-1953）教授。當時，作為物理系系主任的普朗特
只比卡門大八歲。

哥廷根大學的學術氣氛使他著迷，在普朗特和數學大師希爾伯特（David Hilbert）、
克萊因(Felix Christian Klein)、愛因斯坦、物理學家閔可夫斯基（Hermann
Minkowski）、化學家能斯特（Walther Hermann Nernst）等人的薰陶下，奠定了
雄厚的數理基礎。

2年後，卡門便順利完成了博士論文。

獲得博士學位之後，他來到巴黎觀看飛行表演。在一次的飛行表演開啟了他對航空
的興趣，開始研究空氣動力學。此時，普朗特教授寄了封邀請信，信中提到：

「我們正在幫軍方設計飛行艇與籌建風洞並進行實驗，錢多事少離家近，請務必前來！」

於是，卡門以一個編制外的講師回到了哥廷根大學。他協助普朗特成功地建造了
哥廷根第一個風洞，齊柏林飛艇的設計與實驗有進行的很順利。

補充說明一下，這個編制外的講師拿到現代來說，四個字：「功德無量」，
解壓縮為：「低薪鞠躬盡瘁，過勞死而後已」。

由於沒有得到學校正式的聘任，除了實驗室助手的微薄收入外(RA)，另一個收入
來源為授課的學生(TA)。這讓卡門有點不安，所幸身處大師環繞的氣氛之下，就算
是個小講師，也是能參加學術研討會，沉浸在數學家和物理學家的新穎的學術觀點
和理論之中的卡門，興奮地忘卻這個煩惱，不安感↓ エロ感↑。

1911~1912年，普朗特領導的研究團隊致力於研究飛行理論中的渦流問題
（Vortical flow）。他請一名博士生卡爾（Karl Hiemen）設計水槽，用實驗
來觀察圓柱體後面的流動分裂，並測量水流中的分裂點。

卡爾：「教授，水流總是不停地擾動，難以穩定地測量捏～。」

普朗特：「應該是你用的圓棒不夠圓吧！」

經過Seafood的開示之後，卡爾開始天天磨棒子，磨到他嫑嫑的。

在做了非常精細的加工後，水流還是在繼續擺動。

卡爾：「唉～這大概是設計的時候感染了阿克婭病毒才會變成這樣...Orz」

普朗特：「這分明是水槽不夠對稱！」

於是，卡爾調整了水槽，情況仍未改善。

一旁的卡門看了心想：「水流擺動的現象一定會有原因。」

他加以深入研究，發現到水流過圓柱後會一分為二，形成兩排交叉的渦流。他嘗試
採用數學方法解釋這一現象。經過一番計算之後，證明了水在流過圓柱體後，必然
會產生兩列相互平行、自轉方向相反的漩渦，而且是相隔排列，如同街道兩邊的
路燈一樣排列著向前流動。

1911年，卡門將他的這個發現寫成論文發表，論文中的渦流理論後來被人們稱為
「卡門渦街」(Karman vortex street)。風吹電線發出的聲響、潛水艇的潛望
鏡會產生振動都是卡門渦街的結果，更是讓工程師知道飛機、船艇、車子在設計時
如何採用流線型來最大限度地減少阻力的重要理論基礎。好比魚身的流線型避免了
產生阻力的卡門渦街，另一方面，魚兒通過不斷擺尾來在身後製造了
「反卡門渦街（reverse Karman vortex street）」，使身後的水流向後，對自身
施加向前的推力。

1940年，發生的塔科馬海峽大橋坍塌事件就是忽視了「卡門渦街」的效應。這座橋
原本是一位著名建築師的藝術品，但為了成本考量，cost down之下，橋面厚度不足。
而在當天，風速為19m/s的情況之下，引起卡門渦街，使橋身發生了劇烈的扭曲振動，
振幅越來越大（接近9公尺），最後引起吊橋劇烈共振而崩塌。(wiki有影片唷)

ps1.像最近的寒流亦會造成某些地區在海面所形成卡門渦街。
ps2.匈牙利1992年發行的馮‧卡門紀念郵票，背景圖案即是卡門渦街

不久，卡門離開哥廷根大學，前往亞琛工學院任教，如願當上了教授。這一時期，
他還擔任了空氣動力研究所所長，並與普朗特首次闡釋了困擾許久的
「紊流(Turbulent flow，又稱亂流或湍流)」問題，提出相關的概念及理論基礎。

有別於當時德國的教授，他經常和學生們打成一片，學生也很喜歡這位不擺架子
又風趣的年輕教授。甚至在酒館幾杯啤酒下肚之後，師生談論起科學、家庭與戀愛。

據說，卡門對於不尊重專業、亂砍價格的老闆自有他一套對付的手法。

一天，一位工廠主人向卡門求助，他的機器只要一開動就發生強烈振動，常常
造成零件的損壞。他曾經找了一位技師，對方卻說：「你這個車（機器）有異音、
因為你這個皮帶龜裂.....普利珠啦」。

最後技師拆開了座墊，還是無法修好。

工廠主人耳聞卡門能解決震動噪音問題，他便請卡門來工廠。

「閃開，讓專業的來！」卡門一把霸氣地推開手拿扳子的技師。

卡門在機器旁看了看，不出幾分鐘後就向工廠主人說：

「你把齒輪轉一下角度就可以了。」

對方照做後，機器果然不再振動。

「公道價，八萬一！」卡門拿出的帳單說。

「你只不過說了一句話，怎麼要這麼多錢！」工廠主人森77。

「那你把齒輪轉回去，我就不收你錢。」卡門拿下他叼在嘴裡的煙斗緩緩地說。

1929年，納粹的排猶活動，讓出身猶太血統的卡門感受到了影響。在物理學家
密立根（Robert Millikan）的邀請下，卡門前往加州理工學院做了空氣動力學
實驗室主任。這一時期，他完成了著名的紊流統計理論，解決了水壩裂縫、風車發電、
天文臺反射式望遠鏡、超音速飛行等一系列工程問題，還主持籌建美國噴氣工程公司，
指導一批青年科學家從事火箭技術研究，最後建立了美國火箭技術中心——
噴氣推進實驗室！卡門的名字在美國的科學界、業界和軍方可謂無人不知、無人不曉...

卡門被稱為航空航太時代的科學奇才，對流體力學、航空動力學貢獻卓著。

最後，關於卡門的中國情緣，嗯...留在之後再談吧～Anyway，中國的火箭技術、
航太發展都與他培養的學生：郭永懷與中國航太之父、中國導彈之父錢學森、
錢偉長、林家翹有很大的關係....。

以上

Reference:
1.科學五千年(八)
2.Wiki
3.馮‧卡門——航空與航天時代的科學奇才


A.D.
1.科學少年: https://www.facebook.com/ys.ylib/
2.物理萌史 線上科普漫畫  https://www.facebook.com/physics.manga/

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對流血一週仍然不死的生物千萬不能大意……。


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噓 shiriri: 不要混入一些自以為好笑的數字就寫的不錯
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→ lfk: 引起的共振 有沒有流體力學大師能解惑的？
推 rial: 那橋震動的太誇張了，居然還有人在上面悠閒的漫步
噓 aswq17558: 幹 karman analogy
→ aswq17558: 想到就氣 等等補推
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推 antx: 推啊，文筆順暢又幽默的科普文
推 peter9617: 推啊~~~
推 svel: 推啦!!!!雖然流體力學真的很頭痛....
推 spiritia: XDXD
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推 yoyoleader: 果然是水精靈
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→ coldwalk: 馮卡門自傳裡特別有一章Dr.Tsien of Red China講錢學森
→ coldwalk: 他覺得錢學森會回到中國是受到當時美國麥卡錫主義的影響
→ coldwalk: 錢被指控是共產黨員 不然他會留在美國 最後不會左右中國
→ coldwalk: 的火箭技術 馮有一點惋惜的感覺
→ coldwalk: 馮卡門看了日本的風洞 他覺得日本不善於創造 但善於模仿
→ coldwalk: 滿獨特的見解
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→ chtm: 可以寫Navier跟Stokes兩位的生平嗎XD
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噓 hibike: 這次的數學部分有些不妥啊
推 lv256: 什麼！卡門的爸爸也講了神秘數字689.2？大新聞！
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推 joyce31022: 推～想到以前研究所的風洞實驗...寫得真好
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推 Hyacinth0: 1
推 hao818: 大推深入淺出的科普知識教育！！！
※ jfsu:轉錄至看板 ScienceNote                                     02/12 23:15